基于物联网技术的家庭火灾监控硬件系统

张科强 池雄飞 石艳玲鄂尔多斯职业学院基金项目：鄂尔多斯职业学院科研基金项目（ZK2010A002）



基于物联网技术的家庭火灾监控硬件系统

张科强 池雄飞 石艳玲
鄂尔多斯职业学院
基金项目：鄂尔多斯职业学院科研基金项目（ZK2010A002）

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评估值30万

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本文提出了一种基于物联网的嵌入式家庭火灾监控系统。以气体、烟雾、温度、红外线等传感器组成信号采集电路，以ZigBee单芯片CC2430为核心，构建信息采集无线网络平台，以RT3052为控制、处理核心搭建网关控制平台，使无线网络通信平台接入Internet，实现了远程监控。

随着人们对居住环境的要求越来越高，家用设施的安全管理成为人们迫切需要，而现有的监控系统集成度低，布线麻烦，监测精度低及远程监控实时性差等缺点，远远达不到人们的期望。而科学技术的发展，特别是物联网技术的日益成熟，对满足人们的期望提供了技术支撑。本文研究的重点是以物联网技术为基础，提出一种嵌入式家庭火灾监控系统设计方案。

火灾监控系统整体结构

本监控系统其整体结构示意图如图1所示，功能主要分为两个部分：基于ZigBee技术的无线传感器网络和智能网关。其中无线传感器网络以各种传感器构成感知采集系统，以CC2430为信息传输控制核心；以路由芯片RT3025实现智能网关。无线传感器网络的监控数据通过智能网关与Internet交互，从而实现远程监控。

无线传感器网络硬件设计

电源系统设计

无线传感器网络的终端节点上分布着多种传感器，它们的工作电压不全相同，为了方便设计，统一设成5V供电，本电源系统选择了电源集成控制芯片LM2596-5。该电源集成控制芯片通过工作方式DC-DC将12V输入转化为5V输出，而且外围电路只需要4个元器件，简化电源电路的设计，同时提高了电源系统的集成度和稳定性。由于ZigBee CC2430控制芯片和DS18B20工作电压为3.3V，所以选择一款成本低的稳压芯片LMS1117-3.3，将LM2596-5输出的5V电压转为3.3V。

图1 系统结构图

图2 MQ-2应用电路图

烟雾传感器设计

在火灾中往往伴随着烟雾，所以预防早期火灾最有效办法是对烟雾的及时检测，尽早发现火灾险情。本设计选择MQ-2烟雾传感器，此传感器工作原理：当环境中的可燃气体和烟雾的浓度增加时，MQ-2的电导率随着增大。MQ-2工作时需要两个电压：加热电压UH 和回路电压UC，加热电压为该传感器工作电压，回路电压用于测量传感器串联负载上的电压，在设计中，加热电压UH 和回路电压UC统一设为5V。其电路图如图2所示。

气体传感器设计

天然气泄漏成为家庭火灾发生和气体中毒的主要原因。实时监测天然气浓度，防止火灾的发生，具有重要意义。本设计选用MQ-7型CO气体传感器，其工作原理为：当空气中的CO浓度增加时，CO气体传感器敏感层的电阻减小。其应用电路图与MQ-2一样。

热释电红外线传感器设计

热释电红外线传感器可以搜索到物体自身辐射的极弱红外线信号。本设计采用智能型检测传感器SPS532CA，本芯片主要用于火灾监测和气体分析研究。

温度传感器设计

温度传感器DS18B20是一款单总线的数字式温度传感器，测温范围在-55～125℃之间，DS18B20包含唯一产品序列号，从而实现多个DS18B20 连接到总线上。当传感器正常工作时，用读温度指令，直接从温度寄存器中读取温度信息。

ZigBee节点设计

在完成传感器的设计后，用ZigBee CC2430芯片和以上多种传感器构建终端采集节点，再由这些终端采集节点，构建信息采集无线网络通信平台。ZigBee网络拓扑结构常用的形式有三种：星形、树形、网状结构。本设计采用网状结构，网状结构比星形和树形结构通信率和容错率都大大提高。

智能网关硬件设计

智能网关硬件结构主要由由CC2430收发模块、RT3052、两路射频天线、电源电路模块、以太网接口以及存储器模块组成。

1）主芯片选型设计：RT3052是一款高性能嵌入式路由芯片，其集成了UART、SPI、 I2S、I2C、USB等丰富的硬件接口，便于与外围接口通信，同时满足了系统平台的处理能力。利用RT3052的串口与CC2430的串口连接通信，从而将传感器采集到的数据传入Internet中。

2）存储器芯片选型设计：因为需要在网关平台上移植Wince系统，加载用于数据存储的数据库、运算火灾判断算法、发手机短信应用程序及其它必备的应用程序，所以必须对其存储器芯片选型，满足平台的需要。在SDRAM方面：选择2片M12L128168A，其存储容量为32M。在flash存储器方面：选择MX29LV320DBTI芯片，该容量为4M。

结束语

本文主要介绍了家庭火灾检测中无线传感器网络和智能网关硬件设计，本系统已经过简单的调试，整个系统在采、处理、收发数据稳定。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.015